Luận văn Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab

Trang 1 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB đã được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ vô cùng quý giá của gia đình, thầy cô, nhà trường và bạn bè. Bằng tất cả lòng chân thành của mình, con xin được nói lời cảm ơn đến cha mẹ, bà ngoại, anh, chị, em và mọi người trong gia đình. C ảm ơn mọi người đã luôn bên con, động viên con, giúp đỡ con, tạo mọi điều kiện cho con hoàn thành xuất sắc luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn thầy PGS.TSKH. Lê Xuân Hải. Thầy là người trực tiếp giúp tôi, hướng dẫn tôi từng bước một đi đến hoàn thành luận văn tốt nghiệp một cách tốt đẹp. Tôi xin được xưng “con” với thầy để bày tỏ lòng kính trọng với một người thầy tâm huyết với nghề. Thầy không những giúp tôi về mặt vật chất, thầy còn dạy tôi nhiều điều trong cuộc sống. Làm việc với thầy, tôi thấy mình còn nhiều điều cần phải học để hoàn thiện bản thân. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Chế Biến Dầu Khí, bộ môn Quá Trình và Thiết Bị, bộ môn Hữu Cơ, cảm ơn tất cả các thầy cô thuộc Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM đã t ạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cám ơn những người bạn của tôi (anh Hùng, anh Long, anh Đăng, Tùng, My, Nguyên, anh Lợi và các bạn khác), những người đã đóng góp cho tôi những ý kiến, cùng tôi giải quyết những khúc mắc, khó khăn trong lúc nghiên cứu. Mọi người luôn là bạn tốt của tôi. Tôi xin cám ơn một người, người này đã động viện tôi, cho tôi thêm nghị lực để tôi có được thành công này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn chính bản thân mình đã cố gắng và đã không phụ lòng những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Nhân dịp tết sắp đến, tôi xin chúc cha mẹ, ngoại, mọi người trong gia đình, thầy Lê Xuân Hải, quí thầy cô thuộc các bộ môn trong khoa Kỹ Thuật Hóa Học, và toàn thể thầy cô, công nhân viên trường Đại Học Bách Khoa TpHCM một năm mới an khang thịnh vượng. Chúc tất cả mọi người có một cái tết thật vui vẻ bên gia đình và bạn bè. Trang 2 Trang 3 NỘI DUNG LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 7 CHƯƠNG 1 DIESEL VÀ BIODIESEL .................................................................................... 9 I. DIESEL .................................................................................................................................. 9 II. BIODIESEL ......................................................................................................................... 12 1. Giới thiệu .......................................................................................................................... 12 2. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel trên thế giới và Việt Nam ........................................ 14 2.1. Trên thế giới ...................................................................................................................... 14 2.2. Tại Việt Nam..................................................................................................................... 15 3. Nguyên liệu sản xuất biodiesel ......................................................................................... 15 3.1. Các nguồn nguyên liệu chính ............................................................................................ 15 3.2. Giới thiệu về nguồn nguyên liệu mỡ cá tra ....................................................................... 18 III. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN............................................ 20 1. Tình hình nghiên cứu ........................................................................................................ 20 2. Nhiệm vụ luận văn ............................................................................................................ 23 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................... 25 I. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL .......................................................................... 25 1. Các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá ............................ 25 2. Xúc tác kiềm ..................................................................................................................... 25 3. Qui trình công nghệ tiêu biểu ............................................................................................ 27 II. GLYCERINE ....................................................................................................................... 29 1. Một số tính chất và ứng dụng của Glycerine .................................................................... 29 2. Các phản ứng hóa học của quá trình loại xà phòng trong tinh chế glycerine ................... 32 III. MÔ HÌNH HÓA – TỐI ƯU HÓA ...................................................................................... 33 1. Mô hình hóa ...................................................................................................................... 33 1.1. Khái niệm .......................................................................................................................... 33 1.2. Thủ tục xây dựng mô tả toán học ...................................................................................... 33 2. Tối ưu hóa ......................................................................................................................... 34 2.1. Các thành phần cơ bản của bài toán tối ưu ....................................................................... 34 2.2. Phát biểu bài toán tối ưu ................................................................................................... 34 2.3. Thủ tục xác lập và giải bài toán tối ưu .............................................................................. 35 2.4. Nguyên lý cực đại ............................................................................................................. 35 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB .................. 41 Trang 4 I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL ......... 41 II. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ MATLAB ...................................................................................................................................... 50 1. Khái quát ........................................................................................................................... 50 2. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa gián đoạn .............................................................. 52 3. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa liên tục .................................................................. 55 4. Mô hình 2 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục ........................................... 55 5. Mô hình 3 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục ........................................... 56 III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN ......................................................................... 56 1. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn .......................................................................................................................................... 56 1.1. Mô phỏng một chế độ chuyển hóa biodiesel .................................................................... 56 1.2. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ mole methanol:mỡ cá ..... 60 2. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động liên tục .. .......................................................................................................................................... 64 2.1. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 323 K (50 0C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá= 7:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. ............................................................. 64 2.2. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 328 K (55 0C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =7:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. ............................................................. 65 2.3. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 323 K (50 0C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =8:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. ............................................................. 66 3. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống gồm 2 thiết bị khuấy lí tưởng gắn nối tiếp nhau, hoạt động liên tục ............................................................................................................. 67 4. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống 3 thiết bị khuấy lí tưởng nối tiếp nhau, hoạt động liên tục ....................................................................................................................... 69 5. Bàn luận kết quả mô phỏng .............................................................................................. 71 IV. TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL GIÁN ĐOẠN ............................. 72 1. Xây dựng bài toán tối ưu................................................................................................... 72 2. Giải tìm nghiệm BTTU ..................................................................................................... 73 3. Kết quả tính toán tối ưu .................................................................................................... 75 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TINH CHẾ GLYCERINE ........................ 83 I. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................................. 83 1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ, thiết bị sử dụng .......................................................... 83 1.1. Nguyên liệu ....................................................................................................................... 83 1.2. Hóa chất sử dụng .............................................................................................................. 83 1.3. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................... 83 2. Phương pháp thí nghiệm ................................................................................................... 84 II. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................................................ 86 1. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................................ 86 Trang 5 2. Bàn luận ............................................................................................................................ 89 III. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH TINH CHẾ ...................................... 90 1. Giai đoạn phản ứng loại xà phòng .................................................................................... 90 2. Mô hình tháp chưng cất 2 cấu tử ....................................................................................... 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................................... 99 I. KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 99 II. KIẾN NGHỊ ....................................................................................................................... 100 1. Khảo sát các công đoạn của qui trình gián đoạn ............................................................. 100 2. Phát triển qui trình liên tục .............................................................................................. 101 PHỤ LỤC .................................................................................................................................... 105 Pl-1. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB ............................................................................................. 105 1. Khái niệm ........................................................................................................................ 105 2. Phần mềm bao gồm các thành phần ................................................................................ 106 3. Lịch sử hình thành .......................................................................................................... 106 4. Một số phép toán cơ bản trong MATLAB ...................................................................... 108 4.1. Các lưu ý: ........................................................................................................................ 108 4.2. Một số phép toán và lệnh ................................................................................................ 108 PL-2. CODE LẬP TRÌNH ......................................................................................................... 110 1. Các kí hiệu dùng trong lập trình mô phỏng .................................................................... 110 2. Các hàm số ...................................................................................................................... 118 3. Code lập trình cho các mô hình ...................................................................................... 119 3.1. Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn ...................................... 119 3.2. Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động liên tục .......................................... 123 3.3. Mô hình 2 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau hoạt động liên tục .................... 125 3.4. Mô hình 3 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau hoạt động liên tục .................... 127 4. Code lập trình tối ưu ....................................................................................................... 131 PL-3. QUY TRÌNH XỬ LÝ GLYCERINE .............................................................................. 140 1. Xử lý loại xà phòng ......................................................................................................... 140 2. Tẩy màu glycerine .......................................................................................................... 141 3. Kiểm tra pH và trung hòa acid ........................................................................................ 141 4. Kết tinh loại muối ........................................................................................................... 142 5. Cô quay chân không thu hồi methanol và nước .............................................................. 142 6. Xác định độ tính khiết của glycerine (hay hàm lượng glycerine) ................................... 143 7. Đo độ trắng (độ màu) ...................................................................................................... 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................... 145 Trang 6 Trang 7 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề cần được giải quyết như: nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, nạn ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ, các lò đ ốt công nghiệp ngày càng gia tăng. Điều này đang đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp nhằm góp phần giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng nhiên liệu. Nhiên liệu sinh học đã mở ra một trang mới trong lĩnh vực nhiên liệu. Ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường oxy cho quá trình cháy, nhiên liệu sinh học còn thay thế nhiên liệu khoáng đang ngày càng cạn kiệt, bởi đây là nhiên liệu có thể tái sinh được. Hiện nay, nhiên liệu sinh học chủ yếu là biodiesel và bioethanol. Hai loại nhiên liệu sinh học này được dùng khá phổ biến để pha chung nhiên liệu hóa thạch với tỉ lệ thích hợp, đảm bảo cho động cơ hoạt động bình thường. Ở Việt Nam, việc sản xuất biodiesel chỉ mới xuất hiện trong khoảng vài năm gần đây và chỉ ở mức sản xuất thử nghiệm. Đã có nhiều đề tài về nghiên cứu cải thiện qui trình sản xuất biodiesel, nhằm tìm ra chế độ tốt nhất cho quá trình sản xuất biodiesel. Các nghiên cứu qui trình sản xuất biodiesel thường tiến hành theo con đường thực nghiệm nên đòi hỏi nhiều công sức tiền của và thời gian. Việc ứng dụng phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng sẽ là những hỗ trợ hữu hiệu cho những nghiên cứu thực nghiệm. Bởi vậy luận văn này đã đư ợc thực hiện theo định hướng sử dụng công cụ mô tả toán học, mô phỏng nhờ ngôn ngữ lập trình để góp phần thúc đẩy nghiên cứu quá trình sản xuất Biodiesel. Trang 8 Trang 9 CHƯƠNG 1 DIESEL VÀ BIODIESEL I. DIESEL [11] Nhiên liệu diesel là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ (còn gọi là petrodiesel), với khoảng nhiệt độ sôi từ 250 đến 3700C, với số nguyên tử cacbon từ C14 đến C20. Petrodiesel được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel (ngoài ra một phần sử dụng cho các tuabin khí). Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel. Động cơ này ra đời sớm nhưng không phát triển như động cơ xăng do gây nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề được giải quyết và động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn. Nhờ vào những ưu điểm vượt trội của động cơ diesel như tiết kiệm nhiên liệu và khả năng duy trì công suất trong những điều kiện hoạt động rộng, động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như dùng làm động cơ cho xe tải, máy xây dựng, n ông nghiệp, công nghiệp nhẹ, các nhà máy điện và tàu thủy ... Động cơ diesel cũng làm việc theo nguyên tắc 4 chu kỳ (hút, nén, nổ, xả) như động cơ xăng nhưng khác động cơ xăng ở chỗ: Hình 1- Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel - Trong động cơ xăng, hỗn hợp xăng và không khí được phun trực tiếp vào trong xilanh sau khi đã được phối trộn trước; còn ở động cơ diese l, không khí được hút vào trước trong xilanh và nén ở áp suất cao tạo ra môi trường có nhiệt độ cao, sau đó diesel mới được bơm cao áp phun vào. - Động cơ xăng dùng bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí; còn ở động cơ diesel, diesel sẽ tự bốc cháy ở nhiệt độ cao và áp suất cao trong xilanh. Trang 10 Những yêu cầu đối với nhiên liệu diesel gồm có: - Độ nhớt thấp đảm bảo nhiên liệu được cấp liên tục vào buồng cháy, phù hợp với quá trình làm việc của động cơ. - Có khả năng tự cháy và bay hơi phù hợp để động cơ khởi động dễ dàng, có tốc độ tăng áp suất xi lanh không quá lớn và có tốc độ cháy đủ lớn. - Ít đóng cặn trong hệ thống cấp nhiên liệu và trong xy lanh. - Có tính ăn mòn thấp. Để đánh giá chất lượng petrodiesel, hiện nay người ta đang sử dụng trên dưới 20 chỉ tiêu kỹ thuật khác nhau [bảng 1], trong đó một số chỉ tiêu quan trọng được nêu dưới đây: - Trị số cetane: Đây là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của nhiên liệu diesel, đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel. Trị số cetane là một đại lượng quy ước, có giá trị (là một số nguyên nhận giá trị từ 0 đến 100) bằng tỷ số phần trăm thể tích của n -cetane (C16H34) trong hỗn hợp của nó với α-methyl naphthalene (C10H7CH3) sao cho hỗn hợp này có khả năng tự bốc cháy tương đương với mẫu nhiên liệu diesel trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (theo quy ước thì α-methyl naphthalene có trị số cetane bằng 0 và n -heptane có trị số cetane bằng 100). Trị số cetane được xác định theo phương pháp thử ASTM -D.613. Tuy nhiên phương pháp thử này tốn rất nhiều thời gian và nhiên liệu chuẩn nên người ta đề nghị ra phương pháp tính toán trị số cetane ước lượng và được gọi là chỉ số cetane. Việc tính toán này dựa trên một số yếu tố của diesel như tỉ trọng, nhiệt độ sôi trun